JP5361800B2 - Optical waveguide type Q switch element and Q switch laser device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電気光学効果を用いた光導波路型Qスイッチ素子(たとえば、平面導波路型Qスイッチ素子)、および、このQスイッチ素子を用いて共振器内のQ値を変えてジャイアントパルスを得るためのQスイッチレーザ装置、に関するものである。 The present invention provides an optical waveguide type Q switch element (for example, a planar waveguide type Q switch element) using an electro-optic effect, and a giant pulse is obtained by changing the Q value in the resonator using the Q switch element. Q-switched laser device for the same.
従来から、Qスイッチ素子の一例として、ポッケルスセル(Pockels cell)効果を有する電気光学結晶を用いたQスイッチ素子が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
この種のQスイッチ素子は、偏光分離スプリッタと、薄膜偏光子などの偏光子とを組み合わせて共振器内に構成されており、ポッケルスセルの偏光の向きを電気的に制御して偏光子の透過成分と反射成分との比を変更し、共振器内のQ値を変えることにより、Qスイッチパルスを得るようになっている
Conventionally, as an example of a Q switch element, a Q switch element using an electro-optic crystal having a Pockels cell effect has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
This type of Q-switch element is configured in a resonator by combining a polarization separation splitter and a polarizer such as a thin film polarizer, and electrically transmits the polarization direction of the Pockels cell to transmit the polarizer. The Q switch pulse is obtained by changing the ratio of the component and the reflection component and changing the Q value in the resonator.
また、従来から、光導波路型Qスイッチ素子の一例として、可飽和吸収体を光導波路材料に用いたQスイッチ素子も提案されている(たとえば、非特許文献1参照)。
この種の光導波路型Qスイッチ素子において、可飽和吸収体は、光を吸収すると除々に透明になる物質であり、共振器内に挿入すると励起開始時は損失となり、レーザ発振を抑制しつつ徐々に透明になり、利得が損失よりも大きくなると、急速にレーザ発振を開始してQスイッチパルスを得るようになっている。
Conventionally, as an example of an optical waveguide type Q switch element, a Q switch element using a saturable absorber as an optical waveguide material has also been proposed (for example, see Non-Patent Document 1).
In this type of optical waveguide type Q switch element, the saturable absorber is a substance that becomes gradually transparent when absorbing light, and when inserted into the resonator, it becomes a loss at the start of excitation and gradually suppresses laser oscillation. When it becomes transparent and the gain becomes larger than the loss, the laser oscillation is rapidly started to obtain the Q switch pulse.
さらに、従来から、出力鏡および全反射鏡からなる共振器と、この共振器内に配置されたレーザ光の発生源(レーザロッド、偏光子およびポッケルスセル)と、レーザロッドを励起するフラッシュランプと、ポッケルスセルへの印加電圧を変化させるポッケルスセル駆動回路と、により構成されたQスイッチレーザ装置が提案されている(たとえば、特許文献2参照)。 Furthermore, conventionally, a resonator comprising an output mirror and a total reflection mirror, a laser light source (laser rod, polarizer and Pockels cell) disposed in the resonator, and a flash lamp for exciting the laser rod, There has been proposed a Q-switched laser device composed of a Pockels cell driving circuit that changes the voltage applied to the Pockels cell (see, for example, Patent Document 2).
この種のQスイッチレーザ装置においては、ポッケルスセルへの印加電圧によって共振器内の偏光方向の制御を行い、偏光子との組み合わせによって共振器内のQ値を変えることにより、ジャイアントパルスを得るようになっている。 In this type of Q-switched laser device, the polarization direction in the resonator is controlled by the voltage applied to the Pockels cell, and the Q value in the resonator is changed by the combination with the polarizer so as to obtain a giant pulse. It has become.
従来のQスイッチ素子およびQスイッチレーザ装置は、特許文献1に記載のQスイッチ素子、および特許文献2に記載のQスイッチレーザの場合、偏光を90°回転させるために、高電圧(数100〜数kV)であって、高速な立ち下がりまたは立ち上がり時間(約10ns)のスイッチング電圧を駆動可能なスイッチング回路が必要となるうえ、偏光子などの偏光制御素子を共振器内に挿入する必要があるので、部品点数が多くなるという課題があった。
また、Nd:YAGなどの材料をレーザ媒質に用いた場合には、熱複屈折によるDepolarization損失(偏光解消損失)が生じて、効率が低下するという課題があった。
In the case of the conventional Q switch element and the Q switch laser apparatus described in
Further, when a material such as Nd: YAG is used for the laser medium, there is a problem that a depolarization loss (depolarization loss) due to thermal birefringence occurs and efficiency is lowered.
また、非特許文献1に記載の光導波路型Qスイッチ素子においては、可飽和吸収体の残留損失によって効率が低下するという課題があった。
また、ピークパワーを大きくするためには、可飽和吸収体の光学濃度(Optical Density)を濃くする必要があり、このときの残留損失が光学濃度に比例して大きくなることから、効率低下が大きくなるという課題があった。
さらに、可飽和吸収体は正確なパルスの発振タイミングの制御が困難であり、励起光の強度ばらつきなどに起因する発振タイミングのばらつきが大きいという課題があった。
Further, the optical waveguide type Q switch element described in
Further, in order to increase the peak power, it is necessary to increase the optical density of the saturable absorber, and the residual loss at this time increases in proportion to the optical density, so the efficiency reduction is large. There was a problem of becoming.
Furthermore, saturable absorbers have a problem in that it is difficult to accurately control the oscillation timing of pulses, and the oscillation timing varies greatly due to variations in the intensity of excitation light.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高い消光比、超小型、低駆動電圧を実現した光導波路型Qスイッチ素子を得ることを目的とする。
また、光導波路型Qスイッチ素子を用いたQスイッチレーザ装置においては、部品点数が少なく、小型で、高効率が期待でき、正確なタイミング制御を実現することを目的とする。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain an optical waveguide Q-switch element that realizes a high extinction ratio, ultra-small size, and low driving voltage.
Another object of the Q-switch laser apparatus using an optical waveguide Q-switch element is to realize a precise timing control with a small number of parts, a small size and high efficiency.
この発明に係る光導波路型Qスイッチ素子は、コアおよびクラッドからなる平面導波路構造の光導波路と、光導波路の上下面に設けられた光損失手段および電極と、電極に電圧をオンオフ可能に印加するQスイッチ駆動装置と、を備えた光導波路型Qスイッチ素子であって、クラッドは、コア内の光を閉じ込めるために、コアの上下面に設けられ、光損失手段は、光が接触すると光を減衰させる材料または構造からなり、クラッドの平面に対し平行で、かつコアと対向する両端面に設けられ、電極は、電気伝導性が高い材料からなり、光損失手段の平面に対し平行で、かつクラッドと対向する両端面に設けられるとともに、Qスイッチ駆動装置と電気的に接続され、コアは、電気光学結晶を有し、両端面の電極の相互間に電界が印加されると電気光学効果によって屈折率が変化する材料からなり、コア内の屈折率は、電界が印加されていない場合は、上下面のクラッドの屈折率よりも高くなり、両端面の電極の相互間に正の電界が印加されて、上面の電極が高電位になり、下面の電極が低電位になった場合は、上面のクラッドの屈折率よりも低く、かつ下面のクラッドの屈折率よりも高くなり、両端面の電極の相互間に負の電界が印加されて、上面の電極が低電位になり、下面の電極が高電位になった場合は、下面のクラッドの屈折率よりも低く、かつ上面のクラッドの屈折率よりも高くなるように設定されたものである。 The optical waveguide type Q switching element according to the present invention is an optical waveguide having a planar waveguide structure composed of a core and a clad, optical loss means and electrodes provided on the upper and lower surfaces of the optical waveguide, and a voltage applied to the electrodes in an on / off manner. An optical waveguide type Q switch element comprising: a clad provided on the upper and lower surfaces of the core to confine light in the core; The electrode is made of a material having high electrical conductivity, parallel to the plane of the optical loss means, and is provided on both end faces opposite to the core. And provided on both end faces facing the clad and electrically connected to the Q switch driving device, the core has an electro-optic crystal, and an electric field is applied between the electrodes on both end faces. It is made of a material whose refractive index changes due to the gas-optic effect, and the refractive index in the core is higher than the refractive index of the upper and lower clads when no electric field is applied, and is positive between the electrodes on both ends. When the electric field is applied and the upper electrode becomes high potential and the lower electrode becomes low potential, the refractive index of the upper cladding is lower than that of the upper cladding and higher than that of the lower cladding, When a negative electric field is applied between the electrodes on both end faces, the upper electrode becomes a low potential and the lower electrode becomes a high potential, the refractive index of the lower clad is lower than that of the lower clad. It is set to be higher than the refractive index of the cladding.
この発明によれば、電気光学効果による光偏向、または光導波路内の屈折率変化によって、光導波路とクラッドとの屈折率差を逆転させて、クラッド膜の光の閉じ込め機能を取り除くことを利用し、偏光を利用したポッケルスセルや可飽和吸収体を用いることなく、高消光比および小型化を実現した光導波路型Qスイッチ素子を得ることができる。 According to the present invention, the optical confinement function of the clad film is removed by reversing the refractive index difference between the optical waveguide and the clad by the optical deflection due to the electro-optic effect or the refractive index change in the optical waveguide. In addition, an optical waveguide type Q switch element realizing a high extinction ratio and miniaturization can be obtained without using a Pockels cell or a saturable absorber using polarized light.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る光導波路型Qスイッチ素子1を示す斜視図であり、図2は図1内のA−A’線による断面図である。
図1、図2において、光導波路型Qスイッチ素子1は、平面導波路構造(平面導波路型Qスイッチ素子)からなり、上下面の電極2a、2bと、上下面のクラッド4a、4bおよびコア5により構成される光導波路3と、Qスイッチ駆動装置6と、上下面の光損失手段7a、7bと、を備えている。
FIG. 1 is a perspective view showing an optical waveguide Q-
1 and 2, an optical waveguide type
コア5のx−z平面に平行な両端面には、クラッド4a、4bが設けられている。
また、クラッド4a、4bのx−z平面に平行で、かつコア5と対向する両端面には、光損失手段7a、7bが設けられている。
さらに、光損失手段7a、7bのx−z平面に平行で、かつクラッド4a、4bと対向する両端面には、電極2a、2bが設けられており、両端面(上下面)の電極2a、2bの各々には、Qスイッチ駆動装置6の出力端子が電気的に接続されている。
Optical loss means 7 a and 7 b are provided on both end faces of the
Furthermore,
光導波路3に入射した入射光L1は、コア5内をz軸方向に伝搬し、出射光L2として放出される。すなわち、z軸は、光導波路3に対して光軸に平行である。
光導波路3のx−z面方向に対して平行で、かつ光伝搬方向(z軸)に対して直角なx軸は、光導波路3に対して遅軸となる。また、光導波路3のx−z面方向に対して垂直なy軸は、光導波路3に対して速軸となる。
なお、平面導波路構造とは、層状構造によって入射光L1を閉じ込め、x−z平面に沿う方向にのみに光波を伝搬させる光導波路3のことをいう。
Incident light L1 incident on the
An x axis parallel to the xz plane direction of the
The planar waveguide structure refers to the
次に、図3〜図5を参照しながら、図1および図2に示したこの発明の実施の形態1による光伝搬動作について説明する。
図3および図4は入射光L1の伝搬動作を示す説明図であり、図3は電極2aと電極2bとの間に電界が印加されていない場合の動作を示し、図4は電極2aと電極2bとの間に電界が印加された場合の動作を示している。
Next, the light propagation operation according to the first embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 will be described with reference to FIGS.
3 and 4 are explanatory diagrams showing the propagation operation of the incident light L1, FIG. 3 shows the operation when no electric field is applied between the
また、図5は光導波路3内の屈折率nの分布状態を示す説明図であり、図5(a)は電極2aと電極2bとの間に電界が印加されていない場合を示し、図5(b)は電極2aと電極2bとの間に電界が印加された場合を示している。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a distribution state of the refractive index n in the
まず図3に示すように、電極2aと電極2bとの間に電界が印加されていない場合において、光L1がコア5の入射面5aから入射して光導波路3内を伝搬すると、y軸方向に関しては、コア5と上面クラッド4aとの界面、および、コア5と下面クラッド4bとの界面で、臨界角θcよりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
First, as shown in FIG. 3, when no electric field is applied between the
したがって、電界が印加されていない場合(図3)には、y軸方向の入射光L1のうち臨界角θcよりも低い伝搬角を有する光導波モード光は、光導波路3内をほとんど損失なく伝搬し、コア5の出射面5bから出射光L2として放出される。
また、x軸方向に関しては、z軸方向(光路方向)に対して平行に光L1が伝搬し、コア5の出射面5bから出射光L2として放出される。
Therefore, when no electric field is applied (FIG. 3), the optical waveguide mode light having a propagation angle lower than the critical angle θc among the incident light L1 in the y-axis direction propagates through the
Further, with respect to the x-axis direction, the light L1 propagates in parallel with the z-axis direction (optical path direction) and is emitted from the
一方、図4のように、電極2aと電極2bとの間に電界が印加された場合には、光L1がコア5の入射面5aから入射して光導波路3内を伝搬すると、y軸方向に関しては、コア5と下面クラッド4bとの界面で、臨界角θcよりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
On the other hand, when an electric field is applied between the
しかし、電界印加によってコア5の屈折率(図5とともに後述する)が変化するので、コア5と上面クラッド4aとの界面においては、入射光L1がクラッド4aを通過して光損失手段7aまで漏洩し、一部の光L1が光損失手段7aにより減衰された状態で、コア5の出射面5bから出射される。
また、x軸方向に関しては、z軸方向に平行に光L1が伝搬し、コア5の出射面5bから出射光L2として放出される。
However, since the refractive index of the core 5 (to be described later with reference to FIG. 5) is changed by applying an electric field, the incident light L1 leaks through the
Further, with respect to the x-axis direction, the light L1 propagates in parallel with the z-axis direction and is emitted from the
次に、図5を参照しながら、コア5に電圧が印加された場合の屈折率nの変化について説明する。
図5は光導波路型Qスイッチ素子1の光導波路3内の屈折率nを示す説明図であり、コア5およびクラッド4a、4bの各位置(y軸方向)に対応した屈折率の状態を、電界の有無に関連して示している。
Next, a change in the refractive index n when a voltage is applied to the
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the refractive index n in the
図5(a)は電極2aと電極2bとの間に電界が印加されていない場合の光導波路3内の屈折率nの分布状態を示し、図5(b)は電極2aと電極2bとの間に正の電界が印加された場合の光導波路3内の屈折率nの分布状態を示す。
FIG. 5A shows a distribution state of the refractive index n in the
まず、電極2aと電極2bとの間に正の電界が印加された場合の光導波路3内の屈折率nの変化について説明する。
図5(a)のように、電極2aと電極2bとの間に電界が印加されていない場合は、コア5内の屈折率n1は、クラッド4a、4bの屈折率n2よりも高い状態にある。
一方、図5(b)のように、電極2aと電極2bとの間に正の電界が印加されて、電極2aが高電位になり、電極2bが低電位になると、コア5内の屈折率n1は、コア5の電気光学効果により変化して、上面の電極2a側ではクラッド4bの屈折率n2よりも低くなり、かつ下面の電極2b側ではクラッド4aの屈折率n2よりも高くなる。
First, a change in the refractive index n in the
As in FIG. 5 (a), when an electric field is not applied between the
On the other hand, as shown in FIG. 5B, when a positive electric field is applied between the
なお、図示しないが、電極2aと電極2bとの間に負の電界が印加されて、電極2aが低電位となり、電極2bが高電位となった場合には、コア5内の屈折率は、図5(b)とは逆に変化して、下面の電極2b側ではクラッド4bの屈折率よりも低く、上面の電極2a側ではクラッド4aの屈折率よりも高くなる。
Although not shown, when a negative electric field is applied between the
図1〜図4の光導波路型Qスイッチ素子1において、クラッド4a、4bの材質は、電界が印加されない場合(図5(a))には、コア5の屈折率に対して屈折率が低くなり、かつ正の電界が印加された場合(図5(b))には、高電位(上面の電極2a)側でのコア5の屈折率よりも屈折率が高くなり、低電位(下面の電極2b)側でのコア5の屈折率よりも低くなる材料が用いられる。
In the optical waveguide type
また、コア5の材質としては、高い電気光学定数を有する材料が用いられ、1次の電気光学効果(屈折率変化Δnが印加電界Eに比例)を示すポッケルスセル効果、または、2次の電気光学効果(屈折率変化Δnが印加電界Eの2乗に比例)を示すカー効果を有するものが選択される。具体的には、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)やタンタル酸リチウム(LiTaO3)、SrBaNb2O6(SBN)、KTaNbO3(KTN)などが望ましい。
Further, as the material of the
ポッケルスセル効果による屈折率変化Δnと印加電界E[V/m]との関係は、屈折率noと、電気光学定数reff[m/V]と、印加電圧V[V]と、光導波路厚d[m]とを用いて、以下の式(1)のように表わされる。 Relationship between the Pockels refractive index change due to the cell effect Δn and the applied electric field E [V / m] is the refractive index n o, the electro-optic coefficient r eff [m / V], and the applied voltage V [V], the optical waveguide Using the thickness d [m], the following equation (1) is obtained.
Δn=(no)3reffE
=(no)3reff(V/d) ・・・(1)
Δn = (n o ) 3 r eff E
= (N o ) 3 r eff (V / d) (1)
また、カー効果による屈折率変化Δnと印加電界E[V/m]との関係は、屈折率noと、kerr定数Seff[m2/V2]とを用いて、以下の式(2)のように表わされる。 The relationship between the applied and the refractive index change due to the Kerr effect Δn field E [V / m] is the refractive index n o, by using the kerr constant S eff [m 2 / V 2 ], the following equation (2 ).
Δn=0.5(no)3SeffE2 ・・・(2)
Δn = 0.5 (n o) 3
図6はコア5およびクラッド4a、4bの屈折率n1、n2と印加電圧との関係を示す説明図であり、たとえば、コア5(印加電圧=0)の屈折率n1=2.18、kerr係数Seff=−4.8×10−15[m2/V2](KTN相当)、クラッド4a、4bの屈折率n2=2.08(Ta2O5相当)、光導波路厚d=40μm、とした場合の印加電圧に対する特性を示している。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the refractive indexes n 1 and n 2 of the
図6から明らかなように、電圧=0の状態から、約81[V]の電圧が印加された場合には、コア5の屈折率n1がクラッド4aの屈折率n2よりも小さくなり、コア5とクラッド4aとの間の屈折率の関係は、「n1>n2」から「n1<n2」へと逆転する。
As is apparent from FIG. 6, when a voltage of about 81 [V] is applied from the voltage = 0 state, the refractive index n 1 of the
また、電極2aと電極2bとの間に電界が印加されると、コア5内の光L1は偏向するので、下面の電極2bとクラッド4bとの間に光損失手段(光吸収手段)7bを設け、コア5とクラッド4bとの界面での臨界角θcよりも、光導波路3内の伝搬モードの偏向角θdの方を大きく設定し、クラッド4bに光L1の一部が屈折するように、電界印加時の損失効果を高めることが可能である。
When an electric field is applied between the
臨界角θcと、コア5およびクラッド4a、4bの屈折率n1、n2との関係は、以下の式(3)のように表わされる。
The relationship between the critical angle θc and the refractive indexes n 1 and n 2 of the
θc=sin−1{√(n1 2−n2 2)/n1} ・・・(3) θc = sin −1 {√ (n 1 2 −n 2 2 ) / n 1 } (3)
また、電極2aと電極2bとの間に電界が印加された場合の光の偏向角θdは、コア5の屈折率n1と、kerr定数Seffと、結晶の相互作用長hと、光導波路厚dと、電界Eとを用いて、以下の式(4)のように表わされる。
In addition, when an electric field is applied between the
θd=−9/8(n1 2)Seff(h/d)E2 ・・・(4) θd = −9 / 8 (n 1 2 ) S eff (h / d) E 2 (4)
たとえば、コア5の屈折率n1=2.18、kerr係数Seff=−4.8×10−15[m2/V2](KTN相当)、クラッド4a、4bの屈折率n2=2.08(Ta2O5相当)、とした場合、式(3)から、臨界角θc=17.4[°]となる。
ここで、光導波路厚(コア厚)d=40μmで、電圧81[V]が印加された場合は、図6から、相互作用長h=60μmでの偏向角θdは、臨界角θcよりも大きくなる。
For example, the refractive index n 1 = 2.18 of the
Here, when the optical waveguide thickness (core thickness) d = 40 μm and the voltage 81 [V] is applied, the deflection angle θd at the interaction length h = 60 μm is larger than the critical angle θc from FIG. Become.
なお、光導波路型Qスイッチ素子1において、伝搬光の減衰率を高くするためには、反射率の低い材質で光損失手段7a、7bを形成することが望ましい。
光導波路3を伝搬している光L1は、図3、図4のように光損失手段7a、7bにより多数回反射するので、光損失手段7a、7bへの入射角度が広範囲にわたることになる。
In the optical waveguide type
Since the light L1 propagating through the
図7および図8は各種金属材料への入射角度[°]に対する反射率の依存性の計算結果を示す特性図である。
図7、図8において、それぞれ、図7(a)は銀、図7(b)は銅、図7(c)はニッケル、図7(d)は金の特性図であり、図8(a)は鉛、図8(b)はアルミニウム、図8(c)はクロム、図8(d)はチタン、の特性図を示している。
7 and 8 are characteristic diagrams showing calculation results of the dependence of the reflectance on the incident angle [°] to various metal materials.
7 and 8, FIG. 7A is a characteristic diagram of silver, FIG. 7B is a characteristic diagram of copper, FIG. 7C is a characteristic diagram of nickel, and FIG. 7D is a characteristic diagram of gold. ) Shows the characteristic of lead, FIG. 8B shows the characteristic of aluminum, FIG. 8C shows the characteristic of chromium, and FIG. 8D shows the characteristic of titanium.
ここでは、レーザ発振光として、一般的に用いられる波長1064nmの光に対する特性を示している。
また、図7、図8では、それぞれ、S偏光(入射面に対して垂直な偏光方向)に対する特性を曲線aで示し、P偏光(入射面に対して水平な偏光方向)に対する特性を曲線bで示している。
Here, characteristics of light having a wavelength of 1064 nm that are generally used as laser oscillation light are shown.
In FIGS. 7 and 8, the characteristic for S-polarized light (polarization direction perpendicular to the incident plane) is shown by a curve a, and the characteristic for P-polarized light (polarization direction horizontal to the incident plane) is shown by a curve b. Is shown.
図7、図8において、光損失手段7a、7bをクラッド4a、4bの上下面に設けた場合、TM(Transverse Magnetic)偏光モードに対しては、P偏光で入射するので、図7(c)のニッケル、図8(a)の鉛、図8(c)、図8(d)のクロムおよびチタンは、入射角度80[°]以下で、反射率が0.15〜0.7となる。
7 and 8, when the optical loss means 7a and 7b are provided on the upper and lower surfaces of the
したがって、ニッケル、鉛、クロムおよびチタンは、クラッド4a、4bの外部に漏洩した光に対して大きな損失が与えられるので、光損失手段7a、7bとして、ニッケル、鉛、クロムおよびチタンのうちのいずれかを用いることが望ましい。
Therefore, since nickel, lead, chromium and titanium give a large loss to the light leaked to the outside of the
また、光導波路型Qスイッチ素子1において、電極2a、2bの材質として要求される条件は、電気伝導性が高いことであり、たとえば、金、銀、銅、アルミニウム、クロムなどの金属膜を電極2a、2bとして用いることが望ましい。なお、電極2a、2bは、光損失手段7a、7bとして共通に用いることも可能である。
Further, in the optical waveguide type
また、伝搬光の減衰を高めるためには、光損失手段7a、7bに接するクラッド4a、4bの界面を荒らすことにより光を散乱させて、損失効果を高めることも有効である。
この場合、たとえば、リアクティブイオンエッチングやバックスパッタなどを施すことによって、光損失手段7a、7bに接するクラッド4a、4bの界面を荒らすことが有効である。
In order to increase the attenuation of propagating light, it is also effective to increase the loss effect by scattering light by roughening the interfaces of the
In this case, for example, it is effective to roughen the interfaces of the
さらに、図1〜図4では言及しなかったが、図9で示すように、上面の光損失手段7aに代えて、テーパ形状を有する透明ブロック8を設けることも有効である。
図9はこの発明の実施の形態1の他の構成例を示す斜視図であり、前述(図1参照)と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
Further, although not mentioned in FIGS. 1 to 4, it is also effective to provide a
FIG. 9 is a perspective view showing another configuration example of the first embodiment of the present invention. The same components as those described above (see FIG. 1) are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図9〜図11において、透明ブロック8は、光導波路3を構成するコア5の入射面5aから出射面5bに向かうにしたがって、y軸方向の寸度(厚さ)が徐々に大きくなるようなテーパ形状を有する。
9 to 11, the
図10および図11は、図9の構成による光伝搬動作をB−B’線による断面図で示す説明図である。
図10においては、電極2aと電極2bとの間に電界が印加されない場合の動作を示しており、図11においては、電極2aと電極2bとの間に電界が印加された場合の動作を示している。
10 and 11 are explanatory views showing the light propagation operation by the configuration of FIG. 9 in a cross-sectional view along the line BB ′.
FIG. 10 shows an operation when no electric field is applied between the
以下、図9〜図11に示したこの発明の実施の形態1の他の構成例による動作について説明する。
図10のように、電極2aと電極2bとの間に電界が印加されていない場合において、光L1がコア5の入射面5aから入射して光導波路3内を伝搬すると、y軸方向に関しては、コア5と上面クラッド4aとの界面、および、コア5と下面クラッド4bとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
The operation according to another configuration example of the first embodiment of the present invention shown in FIGS. 9 to 11 will be described below.
As shown in FIG. 10, when no electric field is applied between the
したがって、電界が印加されていない場合(図10)には、y軸方向の入射光L1のうち臨界角θcよりも低い伝搬角を有する光導波モード光は、光導波路3内をほとんど損失なく伝搬し、コア5の出射面5bから出射光L2として放出される。
また、x軸方向に関しては、z軸方向に平行に光L1が伝搬し、コア5の出射面5bから出射光L2として放出される。
Therefore, when an electric field is not applied (FIG. 10), the optical waveguide mode light having a propagation angle lower than the critical angle θc among the incident light L1 in the y-axis direction propagates through the
Further, with respect to the x-axis direction, the light L1 propagates in parallel with the z-axis direction and is emitted from the
一方、図11のように、電極2aと電極2bとの間に電界が印加された場合には、光L1がコア5の入射面5aから入射して光導波路3内を伝搬すると、y軸方向に関しては、コア5と下面クラッド4bとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
On the other hand, when an electric field is applied between the
しかし、コア5と上面クラッド4aとの界面では、コア5の屈折率変化により、クラッド4aを通過して透明ブロック8まで漏洩し、透明ブロック8と電極2aとの界面において反射し、点線矢印で示すように、光は、コア5内に入射することなく、透明ブロック8の端面8bから放出される。
However, at the interface between the
以上のように、この発明の実施の形態1(図1〜図11)に係る光導波路型Qスイッチ素子1は、コア5およびクラッド4a、4bからなる平面導波路構造の光導波路3と、光導波路3の上下面に設けられた光損失手段7a、7b(透明ブロック8、7b)および電極2a、2bと、電極2a、2bに電圧をオンオフ可能に印加するQスイッチ駆動装置6と、を備えている。
As described above, the optical waveguide type
クラッド4a、4bは、コア5内の光を閉じ込めるために、コア5の上下面に設けられている。
光損失手段7a、7bは、光が接触すると光を減衰させる材料または構造からなり、クラッド4a、4bの平面に対し平行で、かつコア5と対向する両端面に設けられている。
The
The light loss means 7 a and 7 b are made of a material or structure that attenuates light when contacted, and are provided on both end faces that are parallel to the plane of the
電極2a、2bは、電気伝導性が高い材料からなり、光損失手段7a、7bの平面に対し平行で、かつクラッド4a、4bと対向する両端面に設けられるとともに、Qスイッチ駆動装置6と電気的に接続されている。
The
すなわち、高い電気光学定数reffの結晶からなる光導波路(平面導波路)3の上下面にクラッド4a、4bが設けられ、クラッド4a、4bの外側上下面に光損失手段7a、7bが設けられ、光損失手段7a、7bの外側上下面に電極2a、2bが設けられ、電極2aと電極2bとの間に電気的に接合されたQスイッチ駆動装置6が設けられている。
That is, clads 4a and 4b are provided on the upper and lower surfaces of an optical waveguide (planar waveguide) 3 made of a crystal having a high electro-optic constant r eff , and optical loss means 7a and 7b are provided on the upper and lower surfaces of the
コア5は、電気光学結晶を有し、両端面の電極2a、2bの相互間に電界が印加されると電気光学効果によって屈折率が変化する材料からなる。
コア5内の屈折率n1(図5(a))は、電界が印加されていない場合は、上下面のクラッド4a、4bの屈折率n2よりも高くなるように設定されている。
The
The refractive index n 1 in the core 5 (FIG. 5A) is set to be higher than the refractive index n 2 of the upper and
また、コア5内の屈折率n1(図5(b))は、両端面の電極2a、2bの相互間に正の電界が印加されて、上面の電極2aが高電位になり、下面の電極2bが低電位になった場合は、上面のクラッド4aの屈折率n2よりも低く、かつ下面のクラッド4bの屈折率n2よりも高くなるように設定されている。
The refractive index n 1 in the core 5 (FIG. 5 (b)) is such that a positive electric field is applied between the
また、コア5内の屈折率n1は、両端面の電極2a、2bの相互間に負の電界が印加されて、上面の電極2aが低電位になり、下面の電極2bが高電位になった場合は、下面のクラッド4bの屈折率n2よりも低く、かつ上面のクラッドの屈折率n2よりも高くなるように設定されている。
The refractive index n 1 in the
また、光導波路3は、KTNからなり、クラッド4a、4bは、Ta2O5からなり、光損失手段は、金、銀、銅、ニッケル、鉛、アルミニウム、クロム、またはチタンの金属膜からなる。
また、光損失手段7a、7bに接するクラッド4a、4bの界面には、損失効果を高めるために、リアクティブイオンエッチングまたはバックスパッタが施されている。
The
In addition, reactive ion etching or back sputtering is performed on the interfaces of the
このように、光導波路型Qスイッチ素子1を平面導波路構造とすることにより、小型化が容易となる。すなわち、平面導波路構造の光導波路3により電気光学結晶の厚さ(y軸方向の寸度)を薄くすることができるので、低電圧駆動が可能で、さらに、光導波路3内の光伝搬を利用することにより、高い消光比を実現することができる。
As described above, the optical waveguide Q-
さらに、上下面のクラッド4a、4bの少なくとも一方は、光導波路3の光入射面から光出射面に向かうにしたがって上下方向(y軸方向)の厚さが徐々に大きくなるような、テーパ形状の透明ブロック8(図9〜図11)により構成されている。
Furthermore, at least one of the upper and
このように、光損失手段7aに代えて、テーパ状の透明ブロック8(図9〜図11)を用いることにより、光導波路3内の反射回数を軽減させることができるので、さらに光導波路型Qスイッチ素子1の小型化を実現することができる。
Thus, since the number of reflections in the
この発明の実施の形態1によれば、電気光学効果による光偏向、または電界印加による光導波路3内の屈折率変化を用い、光導波路3とクラッド4a、4bとの屈折率差を逆転させて、クラッド4a、4bの光閉じ込め機能を取り除くので、偏光を利用したポッケルスセルや可飽和吸収体を用いることなく、高消光比および小型化を実現した光導波路型Qスイッチ素子を得ることができる。
According to the first embodiment of the present invention, the refractive index difference between the
実施の形態2.
なお、上記実施の形態1(図1〜図11)では、クラッド4a、4bのy軸方向の外側上下面に電極2a、2bを設けたが、図12〜図15のように、クラッド14a、14bのx軸方向の側面に電極12a、12bを設けてもよい。
In the first embodiment (FIGS. 1 to 11), the
図12はこの発明の実施の形態2に係る光導波路型Qスイッチ素子11を示す斜視図であり、図13は図12内のC−C’線による断面図である。
また、図14および図15は、この発明の実施の形態2による動作を断面図で示す説明図であり、図14は電界が印加されない場合の光導波路型Qスイッチ素子11の動作を示し、図15は電界印加時の光導波路型Qスイッチ素子11の動作を示している。
12 is a perspective view showing an optical waveguide type
14 and 15 are explanatory views showing the operation according to the second embodiment of the present invention in a cross-sectional view. FIG. 14 shows the operation of the optical waveguide
図12〜図15において、同一符号は同一または相当部分を示す。また、各符号11〜16で示す要素は、前述(図1)の各符号1〜6の要素に対応している。
図12、図13において、光導波路型Qスイッチ素子11は、前述と同様に、平面導波路構造を有し、電極12a、12bと、クラッド14a、14bおよびコア15で構成される光導波路13と、Qスイッチ駆動装置16と、を備えている。
12-15, the same code | symbol shows the same or an equivalent part. The elements indicated by the
12 and 13, the optical waveguide type
前述と同様に、コア15のx−z平面に平行な両端面(上下面)には、クラッド14a、14bが設けられている。
また、x軸は、光導波路13に対して遅軸となり、y軸は光導波路13に対して速軸となり、z軸は、光導波路13に対して光軸にそれぞれ平行である。
As described above, clads 14a and 14b are provided on both end faces (upper and lower faces) of the core 15 parallel to the xz plane.
The x axis is a slow axis with respect to the optical waveguide 13, the y axis is a fast axis with respect to the optical waveguide 13, and the z axis is parallel to the optical axis with respect to the optical waveguide 13.
この場合、コア15のx−z平面に対して垂直な両端側面(y−z面)には、第1および第2の電極12a、12bが設けられており、両電極12a、12bには、Qスイッチ駆動装置16が電気的に接続されている。
In this case, first and
次に、図14および図15を参照しながら、図12および図13に示したこの発明の実施の形態2による動作について説明する。
まず図14のように、電極12aと電極12bとの間に電界が印加されていない場合において、光L1がコア15の入射面15aから入射すると、前述(図3)と同様に、y軸方向に関しては、コア15の屈折率が上面クラッド14aおよび下面クラッド14bの屈折率よりも高いので、コア15と上面クラッド14aとの界面、およびコア15と下面クラッド14bとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
Next, the operation according to the second embodiment of the present invention shown in FIGS. 12 and 13 will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 14, when no electric field is applied between the
したがって、電界が印加されない場合(図14)には、y軸方向の入射光L1は、光導波路13内をほとんど損失なく伝搬し、コア15の出射面15bから出射光L2として放出される。
また、x軸方向に関しては、z軸方向に平行に光L1が伝搬し、コア15の出射面15bから光L2として出射される。
Therefore, when no electric field is applied (FIG. 14), the incident light L1 in the y-axis direction propagates through the optical waveguide 13 with almost no loss, and is emitted from the
Further, with respect to the x-axis direction, the light L1 propagates parallel to the z-axis direction, and is emitted from the
一方、図15のように、電極12aと電極12bとの間に電界が印加された場合には、光L1がコア15の入射面15aから入射すると、y軸方向に関する伝搬動作は前述(図14)と同様であるが、x軸方向に関しては、電気光学効果によりコア15の高電位側(電極12a側)の屈折率が低下するので、入射光L1が低電位側に偏向される。
したがって、コア15の出射面15bにおいて、電極12b側に屈折した状態で、出射光L2が放出される。
On the other hand, when an electric field is applied between the
Therefore, the outgoing light L2 is emitted in a state of being refracted toward the
以上のように、この発明の実施の形態2(図12〜図15)に係る光導波路型Qスイッチ素子11は、コア15およびクラッド14a、14bからなる平面導波路構造の光導波路13と、光導波路13の両端側面に設けられた電極12a、12bと、電極12a、12bに電圧をオンオフ可能に印加するQスイッチ駆動装置16と、を備えている。
As described above, the optical waveguide type
コア15は、電気光学結晶を有する材料からなり、クラッド14a、14bは、コア15内の光L1を閉じ込めるために、コア15の上下面に設けられるとともに、コア15の材料よりも屈折率が低い材料からなる。
電極12a、12bは、電気伝導性が高い材料からなり、コア15のx−z平面に対し垂直な両端側面(y−z面)に設けられるとともに、Qスイッチ駆動装置16と電気的に接続されている。
The
The
このように、光導波路型Qスイッチ素子11を共振器内に挿入し、励起時にx軸方向に関して共振を妨げるように、光軸方向に対して光L1を偏向することにより(図15)、高効率なQスイッチ動作を実現することができる。
Thus, by inserting the optical waveguide type
実施の形態3.
なお、上記実施の形態2(図12〜図15)では、直方体形状のコア15を用いたが、図16〜図19に示すように、x軸方向に関してテーパ形状を有するコア25を用いてもよい。
In the second embodiment (FIGS. 12 to 15), the
図16はこの発明の実施の形態3に係る光導波路型Qスイッチ素子21を示す斜視図であり、図17は図16内のD−D’線による断面図である。
また、図18および図19は、この発明の実施の形態3による動作を断面図で示す説明図であり、図18は電界が印加されない場合の光導波路型Qスイッチ素子21の動作を示し、図19は電界印加時の光導波路型Qスイッチ素子21の動作を示している。
16 is a perspective view showing an optical waveguide type
FIGS. 18 and 19 are cross-sectional views illustrating the operation according to the third embodiment of the present invention. FIG. 18 illustrates the operation of the optical waveguide
図16〜図19において、同一符号は同一または相当部分を示す。また、各符号21〜26で示す要素は、前述(図12)の各符号11〜16の要素に対応している。
図16、図17において、光導波路型Qスイッチ素子21は、前述と同様に、平面導波路構造を有し、電極22a、22bと、クラッド24a、24bおよびコア25で構成される光導波路23と、電極22a、22bに電圧をオンオフ可能に印加するQスイッチ駆動装置26と、を備えている。
16 to 19, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts. The elements indicated by the
16 and 17, an optical waveguide type
コア25のx−z平面に平行な両端面(上下面)には、クラッド24a、24bが設けられている。また、コア25のx−z平面に垂直な両端側面(y−z面)には、電極22a、22bが設けられており、両電極22a、22bには、Qスイッチ駆動装置26が電気的に接続されている。
また、x軸は、光導波路23に対して遅軸となり、y軸は、光導波路23に対して速軸となり、z軸は、光導波路23に対して光軸にそれぞれ平行である。
Claddings 24 a and 24 b are provided on both end faces (upper and lower faces) parallel to the xz plane of the
The x axis is a slow axis with respect to the
この場合、光導波路23において、コア25の断面形状は、第1の電極22aから第2の電極22bに向かうにしたがって、z軸方向の寸度(光路方向の長さ)が徐々に小さくなるようなテーパ形状を有する。
In this case, in the
次に、図18および図19を参照しながら、図16および図17に示したこの発明の実施の形態3による動作について説明する。
まず図18のように、電極22aと電極22bとの間に電界が印加されていない場合において、光L1がコア25の入射面25aから入射すると、y軸方向の光L1の伝搬は、コア25の屈折率がクラッド24a、24bの屈折率よりも高いので、コア25と上面クラッド24aとの界面、および、コア25と下面クラッド24bとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
Next, the operation of the third embodiment of the present invention shown in FIGS. 16 and 17 will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 18, in the case where an electric field is not applied between the
したがって、電界が印加されていない場合(図18)において、y軸方向の入射光L1は、光導波路23内をほとんど損失なく伝搬し、コア25の出射面25bからz軸に対して平行な向きに出射される。
Therefore, when no electric field is applied (FIG. 18), the incident light L1 in the y-axis direction propagates through the
一方、電界が印加されていない場合(図18)のx軸方向の入射光L1の伝搬に関しては、光L1がコア25の入射面25aに入射すると、屈折によりz軸方向に対して屈折角θ1だけ傾いた状態で、コア25内を伝搬し、コア25の出射面25bまで到達した後、さらに屈折することにより、z軸に対して屈折角θ2だけ傾いて出射光L2が放出される。
On the other hand, regarding the propagation of the incident light L1 in the x-axis direction when no electric field is applied (FIG. 18), when the light L1 enters the
これに対し、図19のように、電極22aと電極22bとの間に電界が印加されると、コア25の入射面25aから入射した光L1は、y軸方向に関する光L1の伝搬動作は前述(図18)と同様であるが、x軸方向の光L1の伝搬に関しては、電気光学効果によってコア5の高電位側(電極22a側)の屈折率が低下するので、入射時にz軸に対して屈折角θ1だけ傾いた光L1は、コア25内で低電位側(電極22b側)に偏向される。
On the other hand, as shown in FIG. 19, when an electric field is applied between the
したがって、電界印加時(図19)においては、コア25内を伝搬した光L1は、出射面25bに到達時に、z軸に対して平行(θ2=0°)になるように偏向され、コア25の出射面25bから出射される。
Therefore, when an electric field is applied (FIG. 19), the light L1 propagated in the
以上のように、この発明の実施の形態3(図16〜図19)によれば、コア25(光導波路23)は、両端側面の電極22a、22bのうちの第1の電極22aから第2の電極22bに向かうにしたがって、z軸方向(光路方向)の長さが徐々に小さくなるようなテーパ形状を有するので、電界印加時(図19)において、出射光L2のz軸方向に対する傾きを0°にすることができる。
As described above, according to the third embodiment (FIGS. 16 to 19) of the present invention, the core 25 (optical waveguide 23) is connected to the
実施の形態4.
なお、上記実施の形態3(図16〜図19)では、光導波路23の両端側面(y−z面)に電極22a、22bを設けた光導波路型Qスイッチ素子21において、x軸方向に関してテーパ形状を有するコア25を用いたが、図20〜図23に示すように、光導波路33の上下面(x−z面)に電極32a、32bを設けた光導波路型Qスイッチ素子31において、y軸方向に関してテーパ形状を有するコア35を用いてもよい。
Embodiment 4 FIG.
In the third embodiment (FIGS. 16 to 19), in the optical waveguide
図20はこの発明の実施の形態4に係る光導波路型Qスイッチ素子31を示す斜視図であり、図21は図20内のE−E’線による断面図である。
また、図22および図23は、この発明の実施の形態4による動作を断面図で示す説明図であり、図22は電界が印加されない場合の光導波路型Qスイッチ素子31の動作を示し、図23は電界印加時の光導波路型Qスイッチ素子31の動作を示している。
20 is a perspective view showing an optical waveguide type
FIGS. 22 and 23 are explanatory views showing the operation according to the fourth embodiment of the present invention in a sectional view. FIG. 22 shows the operation of the optical waveguide type
図20〜図23において、同一符号は同一または相当部分を示す。また、各符号31〜37で示す要素は、前述(図1)の各符号1〜7の要素に対応している。
図20、図21において、光導波路型Qスイッチ素子31は、前述と同様に、平面導波路構造を有し、電極32a、32bと、クラッド34a、34bおよびコア35により構成される光導波路33と、電極32a、32bに電圧をオンオフ可能に印加するQスイッチ駆動装置36と、を備えている。
20 to 23, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts. The elements indicated by the
20 and 21, an optical waveguide type
コア35のx−z平面に平行な両端面(上下面)には、クラッド34a、34bが設けられている。また、クラッド34a、34bのx−z平面に平行で、かつコア35と対向する両端面(上下面)には、光損失手段37a、37bが設けられている。さらに、光損失手段37a、37bのx−z平面に平行で、かつクラッド34a、34bと対向する両端面(上下面)には、電極32a、32bが設けられている。
Clads 34 a and 34 b are provided on both end faces (upper and lower faces) parallel to the xz plane of the
両電極32a、32bには、Qスイッチ駆動装置36が電気的に接続されている。
また、x軸は光導波路33に対して遅軸、y軸は光導波路33に対して速軸、z軸は光導波路33に対して光軸にそれぞれ平行である。
A Q
The x axis is parallel to the
この場合、光導波路33において、コア35は、y軸方向に関して、第1の電極32aから第2の電極32bに向かうにしたがって、z軸方向の寸度が徐々に小さくなるようなテーパ形状を有する。
なお、クラッド34a、34bの材質としては、電極32a、32bへの電界印加の有無にかかわらず、クラッド34a、34bの屈折率がコア35の屈折率よりも常に低くなるような材質を用いる。
In this case, in the
The clad 34a, 34b is made of a material whose refractive index of the
次に、図22および図23を参照しながら、図20および図21に示したこの発明の実施の形態4による動作について説明する。
まず図22のように、電極32aと電極32bとの間に電界が印加されていない場合において、y軸方向の光L1の伝搬に関しては、光L1がコア35の入射面35aに入射すると、屈折によりz軸方向に対して屈折角θ1だけ傾き、上面クラッド34aに入射する。
Next, the operation according to the fourth embodiment of the present invention shown in FIGS. 20 and 21 will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 22, when no electric field is applied between the
このとき、コア35と上面クラッド34aとの界面、および、コア35と下面クラッド34bとの界面で、伝搬角が臨界角よりも大きくなるので、光L1は、クラッド34a、34bを透過して、光損失手段37a、37bに入射し、光損失手段37a、37bにより一部の光は減衰されて反射する。
以下、反射を何回も繰り返し、最後にコア35の出射面35bでさらに屈折した後、光L2は出射面35bから放出される。
At this time, since the propagation angle becomes larger than the critical angle at the interface between the core 35 and the
Thereafter, the reflection is repeated many times, and finally the light L2 is emitted from the
一方、図23のように、電極32aと電極32bとの間に電界が印加された場合において、光L1がコア35の入射面35aから入射すると、y軸方向の光L1の伝搬動作は前述(図22)と同様であるが、x軸方向の光L1の伝搬に関しては、電気光学効果により高電位側(電極32a側)の屈折率が低下するので、z軸方向に対して屈折角θ1だけ傾いた光L1は、コア35内で低電位側(電極32b側)に偏向される。
したがって、コア35の出射面35bへの到達時に、出射光L2は、z軸方向に対して平行(θ2=0°)になるように偏向され、出射面35bから放出される。
On the other hand, when an electric field is applied between the
Therefore, when the
以上のように、この発明の実施の形態4(図20〜図23)によれば、コア35およびクラッド34a、34bからなる平面導波路構造の光導波路33と、光導波路33の上下面に設けられた光損失手段37a、37bおよび電極32a、32bと、電極32a、32bに電圧をオンオフ可能に印加するQスイッチ駆動装置36と、を備えている。
As described above, according to the fourth embodiment of the present invention (FIGS. 20 to 23), the
クラッド34a、34bは、コア35内の光L1を閉じ込めるために、コア35の上下面に設けられるとともに、コア35の材料よりも屈折率が常に低い材料からなる。
光損失手段37a、37bは、光L1が接触すると光を減衰させる材料または構造をからなり、クラッド34a、34bの平面に対し平行で、かつコア35と対向する両端面に設けられている。
The
The light loss means 37a and 37b are made of a material or a structure that attenuates light when the light L1 comes into contact, and are provided on both end faces that are parallel to the plane of the
電極32a、32bは、電気伝導性が高い材料からなり、光損失手段37a、37bの平面に対し平行で、かつクラッド34a、34bと対向する両端面に設けられるとともに、Qスイッチ駆動装置36と電気的に接続されている。
コア35は、電気光学結晶を有する材料からなり、光導波路33は、両端面の電極32a、32bのうちの第1の電極32aから第2の電極32bに向かうにしたがって、z軸方向(光路方向)の長さが徐々に小さくなるようなテーパ形状を有する。
これにより、電界印加時(図23)において、出射光L2のz軸方向に対する傾きを0°にすることができる。
The
The
Thereby, at the time of electric field application (FIG. 23), the inclination with respect to the z-axis direction of the emitted light L2 can be set to 0 °.
実施の形態5.
なお、上記実施の形態1〜4(図1〜図23)では、光導波路型Qスイッチ素子について説明したが、図24に示すように、前述(図1)の光導波路型Qスイッチ素子1を用いてQスイッチレーザ装置40を構成してもよい。
In the first to fourth embodiments (FIGS. 1 to 23), the optical waveguide type Q switch element has been described. However, as shown in FIG. 24, the optical waveguide type
図24はこの発明の実施の形態5に係るQスイッチレーザ装置40を示す斜視図である。
図24において、Qスイッチレーザ装置40は、光導波路型Qスイッチ素子1と、励起光Lpを出射する励起光源41と、励起光Lpを光導波路型Qスイッチ素子1への入射光に変換する平面導波路型レーザ媒質42と、励起光源41、平面導波路型レーザ媒質42および光導波路型Qスイッチ素子1が載置されたヒートシンク43と、光導波路型Qスイッチ素子1に電界を印加するQスイッチ駆動装置46と、第1の反射手段(図示せず)と、発振光Loを出射する第2の反射手段45と、を備えている。
FIG. 24 is a perspective view showing a Q-
In FIG. 24, the Q
励起光源41、平面導波路型レーザ媒質42、光導波路型Qスイッチ素子1および第2の反射手段45は、Qスイッチレーザ装置40のレーザ光源を構成している。
The
平面導波路型レーザ媒質42は、光導波路型Qスイッチ素子1と同じ光導波路の厚さを有する。
励起光源41、平面導波路型レーザ媒質42および光導波路型Qスイッチ素子1は、近接配置されている。
The planar waveguide
The
図24においては、煩雑さを回避するために図示しないが、第1の反射手段は、平面導波路型レーザ媒質42の励起光源41側の端面に設けられており、励起光Lpに対して反射を防止し、発振光Loに対して、全反射させる機能を有する。
第2の反射手段45は、発振光Loに対して一部反射させる機能を有しており、第1の反射手段、平面導波路型レーザ媒質42および光導波路型Qスイッチ素子1と協働して、レーザ共振器を形成している。
In FIG. 24, although not shown in order to avoid complication, the first reflecting means is provided on the end surface of the planar
The second reflecting means 45 has a function of partially reflecting the oscillation light Lo, and cooperates with the first reflecting means, the planar waveguide
ヒートシンク43上においては、励起光源41、第2の反射手段、平面導波路型レーザ媒質42、および光導波路型Qスイッチ素子1の順に各要素が配列されており、さらに、光導波路型Qスイッチ素子1の出射端面には、第2の反射手段45が配置されている。
On the
励起光源41としては、複数のエミッタと、平面導波路型レーザ媒質42の平面方向に対して小さい広がり角とを有し、平面導波路型レーザ媒質42が良好に吸収される発振波長の励起光源41を出力するものを用いることが望ましい。
ここでは、励起光源41として、LD(Laser Diode)アレイを用いるものとする。
The
Here, an LD (Laser Diode) array is used as the
平面導波路型レーザ媒質42としては、平面構造を形成し、かつ励起光Lpの波長に対して高い利得を有し、機械強度および熱伝導性に優れるものを用いることが望ましい。
As the planar
次に、前述の図1〜図4を参照しながら、図24に示したこの発明の実施の形態5に係るQスイッチレーザ装置40の動作について説明する。
励起光源41から出射された励起光Lpは、平面導波路型レーザ媒質42に入射し、平面導波路型レーザ媒質42に入射した励起光Lpは、垂直方向で光導波路3を伝搬し、平面方向で空間的に伝搬し、平面導波路型レーザ媒質42内を光励起する。
Next, the operation of the Q-
The excitation light Lp emitted from the
励起開始時においては、光導波路型Qスイッチ素子1の電極2a、2bに電気的に接続されたQスイッチ駆動装置46を駆動することにより、平面導波路型レーザ媒質42で発生した自然放出光を、光導波路型Qスイッチ素子1により光軸から偏向させる(図4)。
At the start of excitation, the spontaneous emission light generated in the planar
このように、平面導波路型レーザ媒質42と光導波路型Qスイッチ素子1との間の隙間から一部の光を漏洩させて、共振器のフィードバック機能を失わせることにより、レーザ発振を抑制する。
In this way, a part of light is leaked from the gap between the planar waveguide
その後、平面導波路型レーザ媒質42中のエネルギーが充分蓄積された後に、Qスイッチ駆動装置46の駆動を停止させると、光導波路型Qスイッチ素子1による偏向がなくなるので、共振器のフィードバック機能が発生し、コア5とクラッド4a、4bとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
After that, when the driving of the Q
これにより、光導波路3内をほとんど損失なく光L1が伝搬することができるので、共振器内のQ値が急速に向上する。
このように、利得が損失よりも高い場合には、共振器内で光子数が急激に増加して、尖頭値の高いパルスを発生するので、光導波路型Qスイッチ素子1の出射端面に設けられた第2の反射手段45において、共振器内に発生した光の一部が発振光Loとして取り出され、出力パルスとして発振する。
Thereby, since the light L1 can propagate through the
As described above, when the gain is higher than the loss, the number of photons rapidly increases in the resonator, and a pulse with a high peak value is generated. Therefore, it is provided on the output end face of the optical waveguide type
なお、図24では第2の反射手段45を設けたが、部品点数を削減するために、図25のように、第2の反射手段45(図24)に代えて、光導波路型Qスイッチ素子1の出射面5bに反射コーティング(図示せず)を施してもよい。
In FIG. 24, the second reflecting means 45 is provided. However, in order to reduce the number of parts, an optical waveguide type Q switching element is used instead of the second reflecting means 45 (FIG. 24) as shown in FIG. A reflective coating (not shown) may be applied to one
図25において、光導波路型Qスイッチ素子1の、平面導波路型レーザ媒質42に対する入射面5aとは逆側(出射面5b)には、第2の反射手段45として機能する反射コーティング(図示せず)が施されている。
In FIG. 25, a reflective coating (not shown) that functions as the second reflecting means 45 is provided on the opposite side (
以上のように、この発明の実施の形態5(図24、図25)に係るQスイッチレーザ装置40は、光導波路型Qスイッチ素子1を含み、レーザ光を発生する平面構造のレーザ光源(励起光源41、平面導波路型レーザ媒質42、光導波路型Qスイッチ素子1および第2の反射手段45)を備えているので、横方向にレーザビーム幅を拡大することができ、LDアレイとの整合性が高く、パワースケーリングが容易で、高出力化を実現することができる。
As described above, the Q-
なお、図24、図25においては、Qスイッチレーザ装置40のレーザ光源として、前述の実施の形態1(図1)のQスイッチ素子1を用いたが、他の実施の形態2〜4によるQスイッチ素子11、21、31を用いてもよい。
In FIGS. 24 and 25, the
いずれのQスイッチ素子を用いた場合も、小型化が容易で消光比が高いことから、高効率動作が実現可能であり、また、光導波路化により電気光学結晶(コア)の厚さを薄くすることができるので、低電圧印加によるQスイッチ駆動および電気的スイッチングが可能となり、パルスレーザ出力の正確なタイミング制御が可能となる。
さらに、平面構造を有する平面導波路型レーザ媒質42を用いることにより、高出力化が可能となる。
Whichever Q switch element is used, it is easy to reduce the size and has a high extinction ratio, so that high-efficiency operation can be realized, and the thickness of the electro-optic crystal (core) is reduced by using an optical waveguide. Therefore, Q switch driving and electrical switching by applying a low voltage are possible, and accurate timing control of pulse laser output is possible.
Further, by using the planar
1、11、21、31 光導波路型Qスイッチ、2a、2b、12a、12b、22a、22b、32a、32b 電極、2a、12a、22a、32a 第1の電極、2b、12b、22b、32b 第2の電極、3、13、23、33 光導波路、4a、4b、14a、14b、24a、24b、34a、34b クラッド、4a、14a、24a、34a 上面クラッド、4b、14b、24b、34b 下面クラッド、5、15、25、35 コア、5a、15a、25a、35a コアの入射面、5b、15b、25b、35b コアの出射面、6、16、26、36、46 Qスイッチ駆動装置、7a、7b、37a、37b 光損失手段、8 透明ブロック、8b 透明ブロックの端面、40 スイッチレーザ装置、41 励起光源、42 平面導波路型レーザ媒質、43 ヒートシンク、45 第2の反射手段、L1 入射光、L2 出射光、Lo 発振光、Lp 励起光、n1 屈折率、n2 屈折率、no 屈折率、θ1 屈折角、θ2 屈折角。
1, 11, 21, 31 Optical waveguide type Q switch, 2a, 2b, 12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b Electrode, 2a, 12a, 22a, 32a First electrode, 2b, 12b, 22b,
Claims (9)
前記クラッドは、前記コア内の光を閉じ込めるために、前記コアの上下面に設けられ、
前記光損失手段は、光が接触すると光を減衰させる材料または構造からなり、前記クラッドの平面に対し平行で、かつ前記コアと対向する両端面に設けられ、
前記電極は、電気伝導性が高い材料からなり、前記光損失手段の平面に対し平行で、かつ前記クラッドと対向する両端面に設けられるとともに、前記Qスイッチ駆動装置と電気的に接続され、
前記コアは、電気光学結晶を有し、前記両端面の電極の相互間に電界が印加されると電気光学効果によって屈折率が変化する材料からなり、
前記コア内の屈折率は、
前記電界が印加されていない場合は、前記上下面のクラッドの屈折率よりも高くなり、
前記両端面の電極の相互間に正の電界が印加されて、上面の電極が高電位になり、下面の電極が低電位になった場合は、上面のクラッドの屈折率よりも低く、かつ下面のクラッドの屈折率よりも高くなり、
前記両端面の電極の相互間に負の電界が印加されて、上面の電極が低電位になり、下面の電極が高電位になった場合は、前記下面のクラッドの屈折率よりも低く、かつ前記上面のクラッドの屈折率よりも高くなることを特徴とする光導波路型Qスイッチ素子。 An optical waveguide having a planar waveguide structure including a core and a clad, optical loss means and electrodes provided on the upper and lower surfaces of the optical waveguide, and a Q switch driving device that applies a voltage to the electrodes in an on / off manner. An optical waveguide type Q switch element,
The cladding is provided on the upper and lower surfaces of the core to confine light in the core,
The light loss means is made of a material or structure that attenuates light when contacted with light, and is provided on both end faces parallel to the plane of the clad and facing the core,
The electrode is made of a material having high electrical conductivity, is provided on both end faces that are parallel to the plane of the light loss means and that faces the clad, and is electrically connected to the Q switch driving device,
The core has an electro-optic crystal and is made of a material whose refractive index changes due to an electro-optic effect when an electric field is applied between the electrodes on both end faces.
The refractive index in the core is
When the electric field is not applied, it is higher than the refractive index of the upper and lower clads,
When a positive electric field is applied between the electrodes on both end faces, the upper electrode becomes a high potential and the lower electrode becomes a low potential, the refractive index is lower than the refractive index of the upper clad and the lower surface Higher than the cladding's refractive index,
When a negative electric field is applied between the electrodes on the both end faces, the upper electrode becomes a low potential, and the lower electrode becomes a high potential, the refractive index of the lower clad is lower, and An optical waveguide type Q switch element characterized by having a refractive index higher than that of the clad on the upper surface.
前記クラッドは、Ta2O5からなることを特徴とする請求項1に記載の光導波路型Qスイッチ素子。 The optical waveguide is made of KTN,
The optical waveguide type Q switch element according to claim 1, wherein the clad is made of Ta 2 O 5 .
前記コアは、電気光学結晶を有する材料からなり、
前記クラッドは、前記コア内の光を閉じ込めるために、前記コアの上下面に設けられるとともに、前記コアの材料よりも屈折率が低い材料からなり、
前記電極は、電気伝導性が高い材料からなり、前記コアの平面に対し垂直な両端側面に設けられるとともに、前記Qスイッチ駆動装置と電気的に接続されることを特徴とする光導波路型Qスイッチ素子。 Optical waveguide type Q comprising: an optical waveguide having a planar waveguide structure composed of a core and a clad; electrodes provided on both side surfaces of the optical waveguide; and a Q switch driving device that applies a voltage to the electrodes in an on / off manner. A switch element,
The core is made of a material having an electro-optic crystal,
The clad is provided on the upper and lower surfaces of the core in order to confine light in the core, and is made of a material having a refractive index lower than that of the core.
The electrode is made of a material having high electrical conductivity, is provided on both side surfaces perpendicular to the plane of the core, and is electrically connected to the Q switch driving device. element.
前記クラッドは、前記コア内の光を閉じ込めるために、前記コアの上下面に設けられるとともに、前記コアの材料よりも屈折率が常に低い材料からなり、
前記光損失手段は、光が接触すると光を減衰させる材料または構造をからなり、前記クラッドの平面に対し平行で、かつ前記コアと対向する両端面に設けられ、
前記電極は、電気伝導性が高い材料からなり、前記光損失手段の平面に対し平行で、かつ前記クラッドと対向する両端面に設けられるとともに、前記Qスイッチ駆動装置と電気的に接続され、
前記コアは、電気光学結晶を有する材料からなり、
前記光導波路は、前記両端面の電極のうちの第1の電極面から第2の電極面に向かうにしたがって、光路方向の長さが徐々に小さくなるようなテーパ形状を有することを特徴とする光導波路型Qスイッチ素子。 An optical waveguide having a planar waveguide structure including a core and a clad, optical loss means and electrodes provided on the upper and lower surfaces of the optical waveguide, and a Q switch driving device that applies a voltage to the electrodes in an on / off manner. An optical waveguide type Q switch element,
The clad is provided on the upper and lower surfaces of the core to confine light in the core, and is made of a material whose refractive index is always lower than that of the core.
The light loss means is made of a material or structure that attenuates light when contacted with light, and is provided on both end faces that are parallel to the plane of the cladding and that face the core,
The electrode is made of a material having high electrical conductivity, is provided on both end faces that are parallel to the plane of the light loss means and that faces the clad, and is electrically connected to the Q switch driving device,
The core is made of a material having an electro-optic crystal,
The optical waveguide has a tapered shape such that the length in the optical path direction gradually decreases from the first electrode surface to the second electrode surface among the electrodes on both end surfaces. Optical waveguide type Q switch element.
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